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以实验计划法提高挤压式填孔的良率 摘 要多层陶瓷可藉着多层化有效的将平面线路缩小面积，以符合轻薄短小的需求；而层与层的讯号导通，就需靠冲孔后再填入的金属膏来达成。如果金属膏没有填妥，则会造成断路；若填入的高度太高，会造成线路印刷品质不佳。本文透过实验计划法，找到以挤压方式填孔，控制填入率、填入高度及均匀性三特性的显著因子及最佳化的制程条件，并进行小量试产，填孔的良率可提升到99.97%以上。此实验是一个以实验计划法成功改善制程的案例。 一、前 言 低温多层共烧陶瓷( Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC ) 具有以下的优点：可在低温（850 900）烧结、能与低阻抗及低损失之Ag、Au、Cu等金属共烧、制作时无层数之限制、介质厚度容易控制、能将电阻电容及电感埋入元组件中。由于此技术符合高频化、积体化及模块化之发展趋势，故被视为无线通讯元组件制作最具潜力的关键技术。 传统的平面电路，讯号是在平面上流动，而多层化后，垂直的讯号导通就是靠通孔后充填金属膏来达成。挤压式通孔充填需先制作一个具有孔洞的Mask，而孔洞之位置则完全和生胚之通孔位置相同。金属膏涂布在Mask上，利用气体加压，把金属膏透过Mask，填入生胚的孔洞内。而充填用的金属膏，其配方及流变特性则对充填质量之好坏有决定性的影响。为了避免烧结后通孔形成孔穴或撑裂陶瓷层，必须要调整其固含量以配合陶瓷体之收缩率。一般通孔用金属膏之固含量及黏度较印刷线路用金属膏高，商用金属膏适用于通孔的固体含量可高达90 wt以上，而黏度约106 cp。填孔条件会依据金属膏特性、生胚厚度及通孔大小来设定，填完之金属高度不能过高，否则烧结时会因充填量过多而将通孔撑破，甚至在陶瓷层表面形成凸块。填完后也不能呈现中空，否则会造成断路，使上下层线路无法连通，所以通孔之充填量控制非常重要。本文运用实验计划法（ Design of Experiment, D.O.E.），找出影响挤压式填孔的显著因子和最佳制程条件。二、印刷式填孔的D.O.E.实验 1.选定问题，进行实验配置及规划 问题定为”为何填孔的良率不稳定？”。首先依丰田法则，列出所有会影响挤压式填孔质量的因素（如金属膏黏度不对、充填条件不对等），做成鱼骨图（特性要因分析图，如图一所示）；然后再删去实验时无法控制及固定的因子（如无尘室温度、溼度是无法有效控制的因子；挤压填孔机型、Mask种类等则为固定的因子），剩余则为实验可操纵的因子。经过这些步骤后，选定充填时间、充填压力、Mask 孔洞大小、垫纸材质为第一阶段的实验因子。此处的因子选择非常重要，若选择不当，将会导致实验失败。 图一、挤压式填孔的特性要因图 实验因子决定后，做因子水平及交互作用表（表一）。再根据点线图（图二），选用L827的直交表，依直交配列表进行实验配置，接着就开始进行第一阶段实验。而因子水平要开的越大越好，如此才会包含所有的制程操纵区间。 表一、第一阶段实验因子水平及交互作用对照表 图二、第一阶段实验点线图 本实验采用美国FERRO公司的材料系统，陶瓷生胚厚度为2mil，填孔机是PTC-1000机型，金属膏是FX33-240的银胶。 2.第一阶段实验 本阶段的实验设计的通孔（via）直径为6 mil，总数有5000个孔，均匀分布在面积为6” 6”的生胚上，以挤压方式填孔。待八个子实验结束后，以灯箱检视其填入率，中空个数即为中空特性之分数，最少0分，最大5000分，为望小值。用膜厚仪量测填入之金属膏高度，量测方法是每片生胚分成四区，每区量一点，每个子实验做二片，取第二片的四点平均值，正值表凸起，负值表凹陷。高度均匀性的数值是同一片生胚中，最大之高度减最小之高度的绝对值，为望小值。实验结果如表二。 表二、第一阶段实验数据配制顺序填入高度 （m）填入率 （空洞个数）高度均匀性 （m）11005000100210050001003-14.752857.4438.65380.15-15.031817.27620.9353.5724.6020.7818.05012.4 第一阶段实验结果，有些完全填入，有些则否，图三（a）显示未填好之中空Via微结构图，而（b）为填妥之Via微结构图，几乎没有晕开现象。经ANOVA分析找到非常显著因子与显著因子共计四个，分别是填充时间、填充压力、Mask孔洞大小及垫纸材质，且总贡献度均超过70%，表示第一阶段实验成功。最后根据ANOVA分析作交互作用表（Cross Table, 表三 ），并依Cross Table来选择第二阶段的因子与水平。本实验为多特性实验。Cross Table是先将针对各特性较佳因子水平分别列出，然后再将水平不一致的因子，依贡献率、质量成本、生产效率等斟酌取舍，进而得到一组综合较佳条件，使质量能够做整体性的最大改善。 表三、第一阶段实验多特性的Cross Table因子Abcdab填入高度A2B2c1d2A2B1显著性贡献度27176840填入率A2B2A2B2显著性贡献度343333高度均匀性A2B2显著性贡献度7513结论A2B1C1D2A2B1*表非常显著因子 *表显著因子由表一及表三可知，填充时间为45秒、填充压力为5psi时较易填入；较小的Mask孔洞大小（6mil）有助于填孔质量；垫纸材质的有利端倾向于第二水平即铜版纸。因为Mask孔洞大小及垫纸材质无法取到三水平，故在第二阶段把这些因子当固定因子，其余的则为第二阶段实验操作因子，共有填充时间、填充压力两个因子。 3.第二阶段实验 依成本及实验操作方便性考量，决定好第二阶段之实验因子后，再根据第一阶段的ANOVA分析结论，定出各因子的三水平（表四）。在此要注意贡献率越大的因子，则其影响越大，所能开的水平区间越小，即三水平之选择差距必须越小。最后决定选择采用L934之点线图（图四）及直交表，来设计第二阶段之实验指示书，依实验指示书进行实验。这阶段使用的仪器与量测人员、方式同第一阶段，如此可提高实验的准确性。 表四、第二阶段实验因子水平及交互作用对照表 图四、第二阶段实验点线图 表五、第二阶段实验数据配制顺序填入高度 （m）填入率 （空洞个数）高度均匀性 （m）1-12.9438.03222.85013.93-2.35028.649.6751244.857.4230.568.9351025.5476.025837.29817.09014.44916.47502.7 经九次子实验后结果如表五所示，有4个实验全部填入。经ANOVA分析（表六），填入率特性仍然出现显著因子：填充时间及填充压力，表示此二因子水平开太广。对于水平开太广的因子，可运用最小显著差（LSD）之计算，将填充时间水平开在A1与A3（35-45秒）之间，将填充压力水平开在B2与B3（15-25 psi）区间。最后选择贡献率大、成本低且生产效益高的水平，做为最适化的制程条件。 表六、第二阶段实验多特性的Cross Table因子AB填入高度A1B1显著性无无贡献度623填入率A2B2显著性贡献度4340高度均匀性A1B3显著性无无贡献度810结论LSD（A1, A3）LSD